Розрахунок ексергетичного балансу теплоагрегатів

 

Міністерство освіти і науки України

ДВНЗ «Український Державний хіміко-технологічний університет»

Кафедра теплоенергетики

Розрахунково-пояснювальна записка курсової роботи на тему:

«РОЗРАХУНОК ЕКСЕРГЕТИЧНОГО БАЛАНСУ ТЕПЛОАГРЕГАТІВ»

Виконав:

Кривошеєв В.М.

група 4-ЕТТ-59

факультет Механічний

Дніпропетровськ 2014 р.

Зміст

Вступ

. Розрахунок ексергетичного балансу трубчастої печі підігріву відбензиненої нафти

. Розрахунок рекуперативного утилізатора при втратах тепла 2%

. Ексергетичний баланс турбіни

. Ексергетичний баланс теплонасосної компресорної установки, що працює на фреоні

Висновки

Додатки

Вступ

Підвищення ефективності використання палива й енергії в хімічній промисловості обумовлюється, головним чином, технічним переозброєнням із застосуванням агрегатів великої одиничної потужності, упровадженням безупинних багатостадійних технологічних процесів з метою максимального використання енергії хімічних реакцій; утилізацією вторинних енергетичних ресурсів (БЕР) в основних енергоємних виробництвах.

Велика кількість ВЕР утворюється при виробництві аміаку, сірчаної й азотної кислот, кальцинованої і каустичної соди: димові гази з температурою 400 - 1000 °С; фізична теплота продукційних газів, що охолоджуються,. твердих і рідких продуктів, рідин, що охолоджують, дистилярної рідини, фузельної води, конденсату, відпрацьованої пари і.т.п. У зв'язку з цим хімічна промисловість відрізняється від інших галузей різноманіттям застосовуваних утилізаційних установок. Тільки на підприємствах азотної промисловості СРСР експлуатується більш 340 утилізаційних установок близько 60 типів.

Технічний прогрес в області використання ВЕР у хімічній промисловості зв'язаний як і безпосередньою розробкою і впровадженням нових технологічних,енерготехнологічних і комбінованих процесів виробництва аміаку, метанолу, сірчаної й азотної кислот, карбаміду, фосфору, так і з удосконалюванням утилізаційного устаткування.

Розробляються котли-утилізатори і для використання фізичної теплоти газів, що відходять, від установок вогневого знешкодження відходів. Такий котел-утилізатор продуктивністю 19 т/рік і тиском парі 2,84 МПа розроблений для установки ліспі кодження ацетилену.

Для використання ВЕР сірчанокислотного виробництва розробляються могутні котли-утилізатори і водяні економайзери для підігріву живильної води за рахунок і теплоти, що виділяється при реакції контактування сірчистого газу; теплообмінники з проміжним теплоносієм для охолодження сірчаної кислоти; системи випарного охолодження з одержанням парі енергетичних параметрів.

Ефективний напрямок підвищення рівня утилізації ВЕР - вироблення технологічного холоду в абсорбційних холодильних установках, що використовують теплоту газів, що відходять, різних рідин, паро газових сумішей, парі котла-утилізатора. На ряді підприємств упроваджені водоаміачні абсорбційні холодильні установки продуктивністю 33,2 ГДж, що використовують у якості теплоносія пару котла-утилізатора лон теплоту продукційних потоків (конвертовану суміш або конвертовану парогазову суміш. Використання холоду при виробництві азотних добрив, що виробляються в холодильних установках, дозволяє, значно збільшити кількість аміачної селітри, що випускається, і азотної кислоти, а також заощаджувати щорічно до 30 тис т умовного палива.

У нафтопереробці підвищення рівня використання ВЕР пов'язано, насамперед, із створенням крупнотонажних комбінованих установок по переробці нафти, у яких технологічні печі і котли-утилізатори характеризуються поліпшеним компонуванням. Наявність жорстких технологічних зв'язків виключає проміжне нагрівання сировини, шо наводить ДО зниження питомої витрати палива на переробку 1 т нафти на 20%. теплоти - приблизно на 9%, електричної енергії - на 16%, при цьому витрата оборотно води скорочується на 36%.

1. Розрахунок ексергетичного балансу трубчастої печі підігріву відбензиненої нафти

В таблиці 1 наведені вихідні дані для виконання розрахунку роботи трубчатої печі.

Таблиця 1 - Вихідні дані для роботи трубчастої печі для підігріву відбензиненої нафти

ПоказникЗначення показникаВитрата палива (мазуту складу, %: С-84, Н2-12, S-3, О2-1) В, кг/год6500Нижча теплота згорання палива , кДж/кг44000Теоретична витрата повітря , кг/кг16.4Коефіцієнт надлишку повітря 1,4Дійсна витрата повітря , кг/кг18Теплоємність повітря , кДж/(кг К)1,005Кількість газоподібних продуктів згорання , кг/кг19,4Максимальна температура згорання , К2420Температура на перевалі , К1340Температура газів, К: На виході із ЙЙ зони конвекції 920 На виході із пароперегрівника 850 На виході із трубчатої печі 770Кількість відбензиненої нафти , кг/год300000Кількість нафтової пари на виході з печі , кг/год140000Тиск відбензиненої нафти, МПа: На воді в піч 1,83 На виході з печі 0,26Температура відбензиненої нафти, К: На вході в піч 515 На вході в ЙЙ зону конвекції 535 На вході в зону радіації 565 На виході із печі 635Питома ентальпія відбензиненої нафти, кДж/кг: На вході в піч 516 На вході в ЙЙ зону конвекції 549 На вході в зону радіації 625 На виході із печі: рідкої фази 849 пароподібної фази 1000Кількість водяної пари , кг/год7200Температура водяної пари, К: На вході в пароперегрівник 463 На виході з пароперегрівника 688Тиск водяної пари , МПа1,05Питома ентальпія водяної пари, кДж/кг: На вході в пароперегрівник Н3842 На виході з пароперегрівника Н41280Витрати теплоти, %: З газоподібними продуктами згорання 21,5 Від хімічного недопалу 1,51 У навколишнє середовище 4,0Теплоємність газоподібних продуктів згорання, кДж/(кг К): В Й зоні камери конвекції 1,073 В ЙЙ зоні камери конвекції 1,088 В камері радіації 1,13 На виході із трубчатої печі 1,072

Далі складемо тепловий баланс печі підігріву відбензиненої нафти, що представлений в таблиці 2.

Проведемо аналіз використаної теплоти у трубчатій печі. Результати зведені до таблиці 3.

Таблиця 2. Тепловий баланс печі підігріву відбензиненої нафти

Стаття балансуУмовне позначенняПоказники, що входять у формулу, Годинна витрата, ГДжabсdКількість теплоти, що необхідно для підігріву нафти у Й зоні камери конвекції-9,9Кількість теплоти, віддають газоподібні продукти у Й зоні10,824Кількість теплоти, що одержує водяна пара у пароперегрівачі-Н4Н33,154Кількість теплоти, що одержують продукти у ЙЙ зоні камери конвекції-32,1Кількість теплоти, що віддається газами продукту у ЙЙ зоні камери57,623Кількість теплоти, що одержує продукт у зоні радіації(-)

-

52,78Кількість теплоти, що віддається газами в камері радіації153,892Кількість теплоти, що виділилася при спалюванні паливаВ--286Кількість теплоти, що вводиться у трубчату піч з повітрям-273-2,352Кількість теплоти, що виноситься з димовими газами-273-67,184

Таблиця 3. Аналіз використання теплоти у трубчастій печі

Стаття балансуВираз статті балансуГодинна витратаГДж% Прихід теплотиТеплота, яку одержують від спалювання палива286100Теплота, що вводиться з повітрям2,3520,822Витрата теплотиУсього 288,352100,822На підігрів відбензиненої нафти122,20847,73У тому числі:що передана продукту у Й зоні камери конвекції9,93,462що передана продукту у ЙЙ зоні камери конвекції32,1101,224що передана продукту у зоні радіації52,7818,455Витрата теплоти на перегрів водяної пари3,1541,103Втрати теплоти67,18423,491З газами, що відходять7,412,591У навколишнє середовище78,5727,472

Термічний ККД печі:

.

У таблицях 4 - 6 наведені розрахунки ексергії теплових потоків, потоків речовин і втрат ексергії, а у таблиці 7 - ексергетичний баланс печі.

Хімічна ексергія палива визначена за методикою Шар гута (годинна витрата палива):

Чи по формулі:

.

Розбіжність результатів складає 2,484%.

Розрахунок ексергії теплових потоків проводиться по формулі:

, де

Ексергія потоку теплоти, підведеної до нафти у Й зоні камери конвекції:

Ексергія потоку теплоти, підведеної до нафти у ЙЙ зоні камери конвекції

Ексергія потоку теплоти, підведеної до нафти у зоні радіації

Розрахунок ексергії потоків речьовини представлений у таблиці 4.

Таблиця 4. Розрахунок ексергії потоків речовин

Ексергія потокуПозначенняЕТеплоти, що підводиться до продукту в Й зоні камери конвекції9,575440,4584,385Теплоти, що підводиться до продукту в ЙЙ зоні камери конвекції31,035560,4814,89Теплоти, що підводиться до продукту в зоні камери радіації53,156250,52327,81

Розрахунок ексергії потоків речовин проводиться по формулі:

, де

Визначаємо середню теплоємність нафти:

Звідси:

Ексергія потоку відбензиненої нафти в Й зоні камери конвекції на вході:

На виході:

Ексергія потоку відбензиненої нафти в ЙЙ зоні камери конвекції на виході:

Визначимо ексергію потоку нафти у камері радіації як суму ексергій рідкої і нафти, що випарувалася:

Ексергія потоку нафти, що випарувалася:

, де ,

Тоді

Відповідно, ексергія потоку рідкої нафти

Тоді

Ексергія потоку продуктів згорання у камері радіації

У ЙЙ зоні камери конвекції

У зоні пароперегрівача

У Й зоні камери конвекції на вході

На виході

Ексергія потоку водяної пари на вході

Ексергія потоку водяної пари на виході

Для визначення зовнішніх утрат ексергії у навколишнє середовище в радіаційній і конвективній частинах печі використовуємо експериментальні дані, що представлені у додатку A.

З загальних втрат у навколишнє середовище q5 складових 3.9%, втрати в камері радіації приймемо рівними 2,73%, що складає 9,76 ГДж/год, а втрати у камері конвекції будуть рівні 1%, що складає 3,575 ГДж/год. Тоді втрати ексергії складають у камері радіації:

У камері конвекції

Сумарні втрати ексергії у зовнішнє середовище складають:

Значення ексергії теплових потоків і речовин наведені у таблицях 4 і 5.

Ексергетичний ККД трубчастої печі складе

Найбільші втрати мають місце у камері згорання: утрати від необоротності процесу горіння 67,2% і від необоротності процесу випромінювання - 16,185% загальних утрат ексергії.

Розрахунок ексергії потоків речовини представлений в таблиці 5.

Таблиця 5. Розрахунок ексергії потоків речовини

ПотікЕксергія на вході Зміна ексергії Ексергія на виході Познач.Значення, ГДж/годПозначЗнач., ГДж/годПотік відбензиненої нафти: у Й зоні камери конвекціїЕ137,0913,29530,387у ЙЙ зоні камери конвекції40,38711,066Е251,452у камері радіаціїЕ251,45225,08876,54Потік газоподібних продуктів згорання: у камері радіації (ексергія при )198,293116,708Е581,584у ЙЙ зоні камери конвекціїЕ581,58443,739Е637,846У зоні пароперегрівачаЕ637,8465,378Е732,467у Й зоні камери конвекціїЕ732,4676,866Е825,601Потік водяної париЕ31,551,806Е43,357

Розрахунок витрат ексергії представлений у таблиці 6.

Таблиця 6 - Розрахунок витрат ексергії

ВтратиРозрахункова формулаГодинна витратаГДж% сумарних втратВнутрішні втрати: від необоротності процесу горіння від необоротності при теплообміні У тому числі: у Й зоні камери конвекції у зоні пароперегрівача у ЙЙ зоні камери конвекції від необоротності процесу випромінюванняЕтоп -

97,669

,678

,584

,091

,171

,48767,2

,723

,402

,062

,063

16,185Усього:145,3489,878Зовнішні втрати: з газами, що відходять у навколишнє середовище У тому числі: в камері радіації в камері конвекції УсьогоЕ8

6,866

,636

,739

,897

,7554,724

,942

,636

,305

9,464

В таблиці 7 наведений ексергетичний баланс трубчатої печі.

Таблиця 7 - Ексергетичний баланс трубчастої печі

Складові ексергетичного балансуПозначенняГодинна витрата, ГДжНа вході:Ексергія палива Ексергія відбензиненої нафти Ексергія водяної пари Ексергія повітряЕтоп Е1 Е3 Еповітр295,961 37,091 1,55 0У підсумку334,603На виході:Ексергія відбензиненої нафти Ексергія водяної пари Сумарні витратиЕ2 Е4 51,452

,357

133,87У підсумку330,679

. Розрахунок рекуперативного утилізатора при втратах тепла 2%

У трубчастому двоходовому повітряному рекуператорі повітря в кількості G2 = 40 кг/с повинне прогріватися від до .

Визначити необхідну поверхню нагрівання, висоту труб в одному кроці і кількість труб, розташованих поперек і уздовж потоку повітря, що нагрівається до дуття.

Димові гази у кількості G1 = 37 кг/с рухаються усередині сталевих труб (лс = 46,5 Вт/(м?°С) діаметром із середньою швидкістю W1 = 20 м/с. температура газів на вході в рекуператор . Повітря рухається поперек трубного пучка зі швидкістю у вузькому перетині пучка2 = 10 м/с. Труби розташовані у шаховому порядку з кроком S1 = S2 = 1,36. Середня арифметична температура повітря

.

При цій температурі фізичні параметри повітря рівні відповідно ,

,

,

,

.

Кількість переданої теплоти

Визначимо температуру газів на виході із рекуператора. У першому наближенні середня температура газів у рекуператорі . При цій температурі . У другому наближенні температура газів у рекуператорі:

.

При температурі фізичні параметри димових газів заданого складу відповідно мають такі фізичні характеристики:

,

,

,

.

Число Рейнольда для потоків газів

Число Нуссельта і коефіцієнт тепловіддачі від газів до стінок труб відповідно рівні:

Число Рейнольда для потоку повітря

Число Нуссельта і коефіцієнт тепловіддачі від стінок труб до повітря при поперечному потоці:

(при шаховому порядку розташування труб , унаслідок S1 = S2 Є=1).

.

Коефіцієнт теплопередачі

Так як , то :

.

Виправлення на температурний напір при перехресній схемі е = 0,88, тоді:

.

Поверхня нагрівання рекуператора:

Загальне число труб

Висота труб в одному ході

.

Живий перетин для проходу повітря

.

Число труб, розташованих поперек потоку

.

Число труб, розташованих уздовж потоку

Ексергетичний баланс утилізатора

Ексергія теплового потоку, підведеного до повітря

Ексергія потоку димових газів на вході

Ексергія потоку димових газів на виході

Ексергія передана димовими газами в утилізаторі:

.

Зовнішні втрати ексергії через стінки й ізоляцію утилізатора

.

Ексергія, витрачена димовими газами на нагрівання повітря і внутрішні втрати

.

Ексергія потоку повітря на вході

Ексергія потоку повітря на виході

Ексергія на нагрівання повітря

.

Внутрішні втрати, звязані з необоротністю при теплообміні

.

Ексергія, витрачена на подолання аеродинамічного опору повітряного потоку при величині питомого сумарного опору визначається як потужність вентилятора. Сумарний аеродинамічний опір складе:

.

Потужність вентилятора:

.

Сумарні втрати ексергії складають:

Ексергетичний баланс рекуператора, кДж/с:

На вході На виході

Ексергія газів Ексергія газів

Ексергія повітря Ексергія повітря

Внутрішні втрати Ді =3096 Зовнішні втрати Де = 64,677

У підсумку У підсумку

Ексергетичний ККД рекуперативного утилізатора:

.

Ефективність регенеративного (замкнутого) тепловикористання - енергетичний ККД пічної установки складається з ККД трубчатої печі та рекуператора.

.

Економія палива за рахунок ВЕР визначається по величині використання ВЕР.

При у = 1, ф = 8200 год/рік

Тоді

. Ексергетичний баланс турбіни

Водяна пара з початковою температурою Т1=773 К розширюється у турбіні від тиску Р1=0,94 МПа до тиску Р2=0,12 МПа.

При даних параметрах ентальпія пари на вході в турбіну h1=3478,23 кДж/кг і ексергія на вході

е1=1202,17 кДж/кг. При адіабатному розширенні h2S=2842,4 кДж/кг, е2=565,34 кДж/кг. Отже:

= (h1 - h2) = (е1 - е2) = 636,83 кДж/кг.

Якщо внутрішній відносний ККД турбіни (відношення дійсної роботи розширення до ізоентропного) зоі = 80%, то

2 = h1 - lд = 2969,77кДж/кг,

де lд = зоі ? l = 0,8 ? 636,38= 509,46кДж/кг

Тоді е2 = 616,14кДж/кг .

Ексергетичний баланс у цьому випадку

е1=e2+l+

,17 = 616,14+ 509,46 +

= 1202,17- (616,14 + 509,46) =76,57 кДж/кг

Ексергетичний ККД визначається відношенням:

Усі втрати ексергії тут відносяться до внутрішніх і технічних і тому .

Ексергетична потужність турбіни при витраті 1 кг/с пари

кВт.

4. Ексергетичний баланс теплонасосної компресорної установки, що працює на фреоні

Теплота підводиться від відпрацьованої пари турбоустановки, що має температуру 313, до фреону, що випаровується при температурі 303 К і тиску 0,1263 МПа. Потім суха насичена пара стискується компресором до тиску 1 МПа і надходить у конденсатор фреону. Процес конденсації завершується при тиску 0,9 МПа і температурі 379,3 К. Далі робочий агент знову дроселюється до тиску 0,1263 МПа. У конденсаторі теплового насосу нагрівається вода, що йде на опалення від температури 322 до 390 К при тиску 1 МПа в кількості 0,873 кг на 1 кг фреону-11.

Робота, що затрачується на стиск фреону-11, при адіабатному ККД компресора зк=0,8 дорівнює 38,4 кДж/кг. Таким чином, корисним ефектом тепло насосної установки є підвищення енергії мережної води від е1 = 8,98кДж/кг до е2 = 33,59 кДж/кг, що відповідають температурам 322 і 390 К. Кількість теплоти, передана фреоном-11 мережній воді складає 146,16 кДж/кг, а одержувана від пари у випарнику 107,76 кДж/кг. Температура навколишнього середовища Тос=293 К. Відповідно до рівняння ексергетичного балансу L+Q*фe+QB*фeB=QГ*фel+Уd визначаємо повну втрату ексергії в установці в розрахунку на 1кг фреону-11.

Уd=L+QB*фeB-QГ*фel=

=кДж/кг.

Ця втрата внутрішня. Технічна втрата ексергії:

T=l*(1- зк)=38.4*(1-0.8)=8 кДж/кг.

Отже власна втрата C=11,2 кДж/кг.

Висновки

У цій курсовій роботі був проведений розрахунок ексергетичного балансу трубчастої печі підігріву відбензиненої нафти, за допомогою якого було визначено, що ексергетичний ККД такої печі при заданих умовах складає 26,892%.

Також був проведений розрахунок рекуперативного утилізатора. Розрахунок засвідчив, що задля виконання заданих умов, необхідна поверхня теплообміну повинна складати щонайменше 5053 м2. Також було розраховано ексергетичний ККД рекуперативного утилізатора який складає 38%.

піч утилізатор ексергія турбіна

Додаток А

Зовнішні втрати ексергії у навколишнє середовище в радіаційній і конвективній частинах печі:

Теплопродуктивність печі, МВтТеплові втрати, %УсьогоУ камері радіаціїУ камері конвекціїБільше 17,52 - 51,5 - 40,5 - 1Менше 3,55 - 84 - 61 - 2

Міністерство освіти і науки України ДВНЗ «Український Державний хіміко-технологічний університет» Кафедра теплоенергетики

Больше работ по теме: